Strumenti di misura
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Strumenti di misura
Nella nostra aula storica abbiamo potuto visionare l’evoluzione degli strumenti di misura dalla seconda metà del novecento in poi.
Intorno agli anni cinquanta esistevano e venivano utilizzati, diversi strumenti adatti ognuno a misurare singoli valori (come amperometri e voltmetri); con una struttura molto curata sia nei materiali sia nell’estetica spesso, racchiusi in scatole di legno per migliorarne l’isolamento.
Questi strumenti erano esclusivamente analogici, si può notare dalla lancetta nel voltmetro , con un ampia scala di valori per riuscire ad effettuare ed apprezzare meglio le misure.
Con il passare degli anni e l’evoluzione della tecnologia le cose sono notevolmente cambiate.
Si ridussero le dimensioni dei suddetti strumenti perché troppo grandi ed ingombranti, non si usavano più involucri di legno ma di materiale plastico. l’innovazione inserì nello stesso apparato più strumenti per la misurazione di più parametri con molteplici portate.
Soprattutto dopo gli anni novanta si passò dalla lettura dei valori misurati in analogico al digitale; vediamo ora come veniva presentato il frequenzimetro a battimento.
Intorno alla metà del novecento come misuratore di frequenza veniva utilizzato questo dispositivo che serviva per la misurazione di grandezze elettriche alternate, i frequenzimetri a risonanza meccanica sono costituiti da una serie di lamelle metalliche ognuna con frequenza propria di vibrazione. Sollecitate da un elettromagnete, alimentato dalla grandezza in esame, fa entrare in risonanza la lamella caratterizzata dalla stessa frequenza cosí da poter leggere il valore degli Hz in corrispondenza della lamina vibrnate. La scala di misurazione era molto ridotta in quanto andava dai 40 ai 70 Hz.
L’evoluzione degli strumenti di misura ha portato alla creazione di contatori di frequenza basati su microprocessori per misure che vanno dai 10Hz ad 2GHz, un notevole salto rispetto allo strumento sopra citato, che ha portato all’eliminazione del tradizionale errore di ± 1 ciclo.
Questi contatori, realizzano misure di frequenza con elevatissima risoluzione su segnali di bassa frequenza; un altro vantaggio è quello della scelta automatica della scala più opportuna ed esistono anche modelli dotati di batteria ricaricabile montabile entro il contatore. L’indicatore a sette cifre a cristalli liquidi (LCD) è completo d’unità di misura e
punto decimale. Ogni volta che si accende il contatore viene eseguita una routine di prova e se vi fosse un guasto, apparirà sul display un’indicazione secondo un codice diagnostico. Oltre ai contatori di frequenza esistono anche i generatori di frequenza chiamati generatori di funzioni che sono strumenti multifunzionali di grande versatilità.
In particolare il modello EM 2002 (quello che usiamo noi a scuola) in realtà comprende quattro strumenti: un generatore di funzioni, un generatore modulato di frequenza (sweep), un generatore d’impulsi e un frequenzimetro digitale. Con questa premessa esso si presenta ottimamente per un vasto numero d’applicazioni sia nel campo analogico sia in quello digitale e può essere quindi utilizzato nella progettazione, produzione e assistenza nei dispositivi elettronici utilizzati a scuola. Il cuore del generatore di funzioni è un dispositivo VCF che genera con precisione segnali con forma d’onda sinusoidali, rettangolari e triangolari in un campo di frequenza compreso tra 0.02Hz e 2MHz. Per circuiti che necessitano di una polarizzazione è disponibile una tensione continua positiva o negativa d’offset regolabile con continuità sovrapposta ai segnali. La possibilità di variare la simmetria della forma d’onda d’uscita converte lo strumento in un generatore d’impulsi, rampa a denti di sega e sinusoidi dissimmetriche.
Per visualizzare tali onde, si utilizzano gli oscilloscopi, in particolare prendiamo in esame l’oscilloscopio G 5020 a doppia traccia (da noi utilizzato in laboratorio).
Esso è uno strumento di uso generale , di facile utilizzazione, affidabilità e ridotte dimensioni e peso: presenta due identici canali con alta sensibilità 1mV/DIV e una banda passante di 20 MHz, ha un asse dei tempi variabile da 0,2 uS/DIV a 0,2 S/DIVin 19 portate, ha poi una sincronizzazione interna su CH1 e CH2, uscita ausiliaria CH1 e onda rettangolare di calibrazione.
Al suo interno ci presenta un tubo a raggi catodici con schermo rettangolare a 6’’, un reticolo interno
con 8x10 divisioni, ha una potenza di accelerazione di 1.9kVe presenta dei comandi di luminosità focalizzazione e rotazione della traccia.
Viene alimentato in corrente alternata, le sue dimensioni sono di 320(L) x 140(A) x 430 (P) ed ha un peso di 5.3Kg.
STORIA DEGLI STRUMENTI DI MISURA
By S. e A.
L’idea di studiare il passato e di spiegare il presente dei vari strumenti di misura, c’è venuta mentre visitavamo l’aula storica del nostro istituto.
All’interno di questa aula abbiamo potuto notare i vari cambiamenti tecnologici degli ultimi 50 anni.
Abbiamo notato che inizialmente i primi strumenti compivano una sola misura.
Erano costruiti con involucri di legno e avevano una sola scala, i principali erano :
VOLTMETRI
AMPEROMETRTI
OMMETRI
WATTMETRI
I primi strumenti erano in grado di compiere misure con una tolleranza di (1% o 2 %) che venivano visualizzate attraverso una lancetta su sfondo numerato detta scala.
Tutti questi strumenti erano molto delicati ma allo stesso tempo molto limitativi nelle prestazioni (anche se a quel tempo tutti gli strumenti erano novità costose e ambite da ogni tecnico).
Col passare del tempo gli strumenti di misura hanno preso sempre più piede nei vari campi di lavoro, grazie ai continui progressi di costruzione e con i prezzi che, man mano trascorreva il tempo, calavano.
Questi strumenti realizzati per un più ampio raggio di utenti, venivano costruiti già con i primi involucri di materiale metallico, con conseguente durata complessiva migliore. Grazie al progresso della tecnologia questi ultimi erano in grado anche di misurare una più ampia scala di dati in modo più preciso con tolleranza minore.
La misura veniva indicata da un indice a lancetta, solo negli anni 80 si ebbero i primi display a cristalli liquidi.
L’evoluzione degli strumenti non si fermerà mai, perché nella maggior parte dei campi in questione (frequenza, tensione…ecc.) si avrà sempre bisogno di appositi strumenti più precisi, (almeno nel campo scientifico se non in quello lavorativo).
Ora si è raggiunto un buon livello sia di precisione che in durata, ormai uno strumento si cambia solo per sostituirlo con un altro più aggiornato e raramente per colpa di un guasto irrimediabile. Spesso capita, in caso di rottura, che sia più conveniente gettare il vecchio apparecchio al posto di ripararlo. Tutte le letture sono trasmesse in digitale per la comodità di lettura e la precisione con cui si possono rilevare anche minimi errori o cambiamenti (nell’ordine dei micro, nano e pico).
Anche le dimensioni fisiche saranno sicuramente al centro dell’attenzione, ora è già possibile trovare oscilloscopi grandi come palmari, con display a colori con più canali.
E come questi anche il più comune multimetro, è ridotto nelle dimensioni e potenziato nelle sue prestazioni.
Tutti questi strumenti sono costruiti con materiale plastico, notevolmente più leggero e malleabile rispetto al legno. Anche come struttura sono diventati molto più maneggevoli e robusti grazie anche a protezioni gommose.
By A.
Gli strumenti di misure elettriche ed elettroniche sono stati soggetti ad un’evoluzione piuttosto considerevole soprattutto dagli anni ’90 in poi. Ma che cosa sono questi strumenti di misura? Sono dei dispositivi in grado di rilevare un fenomeno elettrico e classificarne caratteristiche e intensità secondo una scala o un metodo di misurazione. Si suddividono principalmente in misuratori di tensione (voltmetri), di corrente (amperometri e galvanometri), di potenza (wattmetri), di resistenza (ohmetri), di frequenza (frequenzimetri e oscilloscopi) e di campo. Alcuni di questi strumenti come i wattmetri e gli ohmmetri non effettuano una misura direttamente sulla grandezza da analizzare ma ne misurano altre da cui poi ricavano la grandezza che interessa. Agli inizi degli anni ’50, la diffusione dei primi strumenti era limitata a causa dei prezzi elevati, delle dimensioni, dalla struttura che li rendeva fragili e quindi molto difficili da trasportare. Erano caratterizzati da un corpo in legno che racchiudeva un semplice dispositivo di misura analogico che muoveva una lancetta che segnava il valore su una scala molto ampia; la scala di misura era unica. Eccone illustrati alcuni che sono presenti nell’aula storica dell’istituto:
Col passare degli anni e con l’evolversi della tecnologia anche questi strumenti hanno subito molteplici cambiamenti.
I contenitori vengono rimpiccioliti, rendendoli sempre più leggeri ed ergonomici. Non veniva più utilizzato il legno come materiale ma venne introdotto l’uso della plastica, molto più economica e leggera.
Negli anni ‘90 la tecnologia ha fatto dei balzi da gigante e sono comparsi i primi strumenti digitali, caratterizzati da una notevole precisione nell’apprezzamento delle misure. Inizialmente i prezzi erano proibitivi ma col passare del tempo sono crollati e chiunque si può permettere l’acquisto di un multimetro digitale.
Sfogliando alcune riviste di elettronica abbiamo potuto apprezzare degli strumenti di misura davvero sensazionali.
Come ad esempio dei misuratori di isolamento in grado di misurare automaticamente le tensioni, le capacità e le correnti residue.
Dotato di schermo LCD retro illuminato indica la resistenza DAR (rapporto di assorbimento dielettrico) PI (indice di polarizzazione) DD (test di scarica dielettrica) questo strumento permette misure con la massima precisione.
Esistono degli oscilloscopi palmari con display LCD a colori, dei micronanommetri, degli apparecchi multifunzione utili per tutte le misure che consentono il controllo e la certificazione degli impianti elettrici secondo norma.
Altri esempi di strumenti di misura sono gli analizzatori che vengono usati nelle industrie, negli ospedali e nelle centrali elettriche.
Gli amperometri sono cambiati molto col passare del tempo e negli anni 90 sono nate le prime pinze amperometriche in grado di misurare la corrente all’interno di un conduttore senza tagliare il cavo.
Queste pinze amperometriche sfruttano il fenomeno del campo magnetico.
Questi strumenti sono digitali, e sono molto importanti per un elettricista che deve testare un qualsiasi impianto elettrico.
Ultimamente i prezzi di queste apparecchiature si sono notevolmente abbassati.
Oggi non sappiamo cosa ci riserberà i futuro, ma è certo che nei prossimi anni ci saranno ulteriori sviluppi nel campo della tecnologia.
E’ ovvio che anche gli strumenti di misura nei prossimi anni si evolveranno raggiungendo un livello di precisione molto più elevato.
Qui abbiamo un immagine di un oscilloscopio a colori innovativo di ultima generazione.
EVOLUZIONE
DEGLI STRUMENTI DI MISURA
By P. e B.
Visitando l’aula storica del nostro istituto siamo venuti a conoscenza delle caratteristiche degli strumenti di misura degli anni 50/60. In questi anni si usava inscatolare gli strumenti in contenitori di legno, dotati di una sola funzione, (misuratore di tensione o di corrente) questi apparecchi erano di scarsa precisione vista l’impedenza presente al loro ingresso e alla tecnologia di basso livello..
ECCO UN ESEMPIO
DI DUE STRUMENTI DELL’AULA STORICA.
Col passare degli anni si è giunti alla realizzazione di strumenti con prestazioni di livello sempre più ottimale.
Le scatole sono passate dal legno a materiali come il metallo e la plastica.
Un’ altra innovazione è dovuta al fatto che adesso con un singolo apparecchio si può misurare corrente e tensione, con una maggiore precisione e un minore ingombro dovuto alla riduzione delle dimensioni.
Un altro passo importante è il passaggio dagli strumenti analogici a quelli digitali, si passa dalle semplici lancette, ai cristalli liquidi dove la misura si visualizza sul display e con maggiore precisione. Sfogliando le riviste IEN (industrial engineering news) abbiamo preso visione di nuovi strumenti di misura in commercio vediamo ora di illustrarne le caratteristiche principali:
MULTIMETRO PER MISURE ELETTRICHE
Questo strumento è in grado di eseguire la misura di tensione, corrente e resistenza per sistemi AC/DC, la misura di temperatura con sonde Pt100 e Pt1000, nonché di effettuare la prova diodi e di continuità.
La selezione dei campi di misura da visualizzare sul display LCD (cristalli liquidi) avviene automaticamente in funzione dei valori rilevati, oppure può essere eseguita manualmente agendo opportunamente sull’apposito selettore; inoltre la funzione Data Hold permette di memorizzare, insieme ai valori minimi e massimi, valori di misura particolari.
È dotato del blocco automatico delle boccole che previene gli accidentali errori d’inserzione impedendo il collegamento errato dei cavetti di misura.
Inoltre le boccole d’ingresso sono equipaggiate di “ammortizzatori” che riducono notevolmente le sollecitazioni meccaniche sulla scheda di misura durante l’innesto dei cavetti, al fine di garantire allo strumento un’affidabilità maggiore rispetto ai tradizionali multimetri.
OSCILLOSCOPI PALMARI
Sono strumenti di misura che riuniscono in un unico apparecchio di costo contenuto e di facile utilizzo, tre funzioni: oscilloscopio, multimetro e registratore “senza carta”. Grazie all’esclusiva funzione di trigger “Connect-and-View” che lascia le mani libere, sono la scelta ideale per i tecnici che si occupano di assistenza e ricerca guasti nei complessi sistemi industriali odierni.
CALIBRATORE PORTATILE DI DIMENSIONI RIDOTTE
L’apparecchio è in grado di fornire alle sue uscite diversi standard di grandezze elettriche e temperature richieste per la calibrazione di voltmetri, amperometri, multimetri e termometri. La gamma delle tensioni in DC e AC va da 0 a 700V con precisione massima dello 0,01% con copertura della frequenza compresa 
con incremento decadico del valore: in questo caso gli standard sono costituiti da resistori fissi.
MISURE TACHIMETRICHE AD ELEVATE PRESTAZIONI
È uno strumento di precisione ideato per la misura di basse e medie frequenze. Misura la frequenza ad ogni periodo del segnale acquisito anziché ricavarla a partire da un intervallo di tempo predeterminato. Questo criterio consente l’ottenimento di prestazioni superiori in termini di velocità di lettura e di precisione della misura, in tal modo inoltre, eventuali fluttuazioni in frequenza possono essere acquisite e valutate, mentre nel caso di un frequenzimetro convenzionale o di un sistema a conversione analogica vengono mediate.
È possibile anche programmare il tipo di segnale in ingresso ed impostare i valori di fondo scala, il fattore di predivisione , il coefficiente di moltiplicazione della lettura (per la conversione diretta in unità ingegneristice), la soglia di trigger e di isteresi.
APPARECCHI MULTIFUNZIONE
È un nuovo apparecchio per tutte le misure, consente controllo e certificazione degli impianti elettrici. Viene fornito in un contenitore da cantiere, antiurto e di facile trasporto, adatto a qualsiasi campo e utilizzo. Le misure che si possono effettuare sono molteplici: tensione, corrente, frequenza, isolamento, resistenza di terra con metodo selettivo e con metodo LOOP, impedenza,continuità, verifica interruttori differenziali, senso ciclico delle fasi, con un unico strumento, tutte le misure di verifica per la completa certificazione di un impianto elettrico.
Nella nostra aula storica sono presenti strumenti di misura che risalgono agli anni ’50 come il voltmetro, l’ohmmetro, il wattmetro e l’amperometro che venivano inseriti in contenitori di legno, aventi una sola portata e un’impedenza d’ingresso molto bassa
Col passare degli anni questi strumenti sono stati uniti in uno solo, con la possibilità di poter misurare tensione, corrente e resistenza fino a 5 portate e con maggiore precisione, grazie a una resistenza di decine di KV.
Ultimamente questi strumenti sono stati modificati passando dall’analogico al digitale che consentono una maggiore precisione nelle misure soprattutto nella lettura delle misure, e inventati nuovi strumenti come il multimetro portatile e quello da tavolo.
Il multimetro portatile
l’indicatore di batteria scarica, indicazioni automatiche delle polarità ed indicatori di fuori scala. Inoltre contiene un termometro digitale che può misurare da –200°4 1370°, avente due sonde di temperatura. Lo schermo è illuminato, il contenitore è costituito da materiale termoplastico antiurto; contiene anche un sensore elettronico che rileva tutti i tipi di gas, è alimentata a batteria, ha l’allarme sonoro e visivo (LED), rileva le fughe anche in ambienti contaminati.
Nell’aula storica, troviamo anche il generatore di funzione.
Il generatore di funzione è uno strumento multifunzione in realtà comprende 4 strumenti: un generatore di funzioni, un generatore modulato di frequenza, generatore di impulsi e un frequenzimetro digitale. Può essere utilizzato sia nel campo analogico che digitale.
Nel generatore di funzioni è presente un dispositivo VCF che genera con precisioni segnali con forma d’onda sinusoidali, rettangolari e triangolari, rettangolare con livello TTL e CMOS a rampa e con una frequenza che va da 0,02Hz a 2MHz. Può disporre anche di una tensione continua positiva o negativa di offset regolabile.
L’impedenza di uscita può variare da 600ohm a 50ohm, l’uscita a 600ohm va utilizzata per le frequenze nella banda audio, quella a 50ohm per frequenze più elevate; l’impedenza d’ingresso è di 10KHz. Inoltre ha una attenuazione di 20dB regolabile da 0 a 20dB.
OSCILLOSCOPI
By N.
L’oscilloscopio, tra le apparecchiature elettroniche di misura, è senza dubbio quella che ha avuto la più larga ed incondizionata diffusione.
Questo strumento è nato per poter rappresentare le forme d’onda di diversi segnali nella funzione del tempo. Vogliamo ora paragonare le diverse caratteristiche degli oscilloscopi moderni con quelli del passato.
Nella nostra aula storica abbiamo conservato un oscilloscopio
degli anni 70 (Unaohm), con le seguenti caratteristiche:
Canale verticale
Larghezza di banda: lineare entro 6 3 dB della corrente continua a 10 MHz con ingresso in corrente continua, da 2 Hz a 10 MHz con ingresso in corrente alternata.
Impedenza d’ingresso: 1 MV con circa 40 pF in parallelo.
Sensibilità: 10 mV/cm; attenuatore compensato ad 11 portate, da 10 mV/cm a 20 v/cm.
Mediante il comando GAIN X 10 è possibile aumentare la sensibilità verticale fino a circa 1 mV/cm, riducendo però la banda passante a circa 3 MHz.
Precisione dell’attenuatore: 6 5%.
Massima tensione di ingresso: 400 Vcc + 150 Vpp corrente alternata.
Canale orizzontale
Deflessioni: deflessione interna a denti di sega deflessione sinusoidale a frequenza di rete; deflessione di ogni tipo mediante segnale esterno.
Larghezza di banda: lineare entro –3dB, della corrente continua 500KHz.
Impedenza di ingresso 50 kV con circa 50 pF in parallelo.
Sensibilità: 500 mV/cm attenuatore a copertura continua.
Mediante il comando HORIZ. MAG. X 5 è possibile aumentare la deflessione orizzontale e di conseguenza la velocità dell’asse dei tempi di circa 5 volte.
Massima tensione di ingesso: 40 Vpp.
Asse dei tempi
Tipo di funzionamento: comandato; un dispositivo automatico trasforma l’asse dei tempi in ricorrente in assenza di segnale di ingresso; l’automatismo può essere escluso per particolari esigenze dell’operatore.
Tempi di scansione da 100ms /cm ad 1ms/cm in 5 scatti decimali.
Copertura continua dei valori intermedi
Massima tensione di ingresso dai 10 Vpp
Varie
Tubo a raggi catodici: 5", schermo piatto traccia verde a media resistenza. Reticolo dello schermo centimetrato.
Alimentazione 220 V,610%; 50460 Hz.
Tensione alternata in uscita 2 Vpp.
Dimensioni: 240 x 180 x 330 mm.
Peso 7 Kg.
Ora analizziamo le caratteristiche degli oscilloscopi moderni per capire le differenze delle esigenze del passato e quelle del giorno d’oggi.
Aumentando la banda passante fino ai GHz è possibile analizzare un maggior numero di segnali rispetto al passato. Un altro grande passo in avanti avvenuto all’interno dell’oscilloscopio, è la possibilità di memorizzare forme d’onda, con l’utilizzo di un software che tramite computer possono essere stampate. Potenziando il trigger a esclusione è aumentata la possibilità di catturare eventi rari.
Alcuni oscilloscopi moderni hanno messo a punto nuove tecniche per agevolare l’uso di questi strumenti istallando su di essi uno schermo che toccandolo è possibile comandare le funzioni di utilizzo. Il software presente nell’oscilloscopio permette di sottoporre un segnale ad una funzione matematica e ne visualizza l’onda risultante.
Questo strumento si è ridimensionato fino a raggiungere dimensioni molto piccole come ad esempio l’oscilloscopio palmare .
Fonte: http://www.iisbestafossati.it/museo/strumenti.doc
Autori del testo: indicati nel testo
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